¿Una lente capaz de ver más allá del límite de la luz? Descubre cómo los metamateriales y la refracción negativa podrían revelar detalles invisibles para los microscopios comunes. Física sorprendente que parece magia, pero es ciencia real.
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#Ciencia #Física #Tecnología #Microscopía #Innovación
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0:00 - Lentes y límite de difracción
3:18 - Métodos para superar la difracción
6:00 - La posibilidad del índice negativo
11:19 - Permitividad negativa y oscilaciones
17:51 - Cómo lograr permeabilidad magnética negativa
20:45 - Metamateriales de índice negativo
24:19 - Superlentes e hiperlentes
27:00 - Posibilidades de los metamateriales
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00:00¿Cómo crear la lente perfecta?
00:02Esta pregunta ha intrigado a científicos e ingenieros, al menos desde el siglo XIII,
00:07cuando se descubrió por primera vez que los vidrios curvos podían aumentar visualmente los objetos acercándolos.
00:13Desde el siglo XVII, las lentes encontraron su aplicación en los primeros instrumentos ópticos,
00:18microscopios y telescopios, que ampliaron increíblemente las posibilidades de los científicos para estudiar el mundo que nos rodea.
00:25Y desde entonces, se han hecho muchos esfuerzos para crear la lente perfecta,
00:30que ofrezca el mayor aumento posible y la mejor calidad de transmisión de imagen.
00:36En este camino se hicieron muchos descubrimientos brillantes,
00:39sin embargo, bastante rápido la humanidad se topó con una limitación fundamental,
00:43conocida como el límite de difracción.
00:46Un microscopio, por perfecta que sea su lente,
00:49nunca podrá ver un objeto cuyo tamaño sea menor que la mitad de la longitud de onda de la luz
00:53incidente.
00:55La naturaleza de esta prohibición sigue siendo incomprensible
00:58si nos limitamos a la descripción ingenua de la propagación de la luz como rayos rectos
01:02que usamos en la óptica lineal clásica,
01:04en particular cuando estudiamos el principio de funcionamiento de las lentes en el curso escolar de física.
01:09Ahí, les recuerdo, se dice que gracias a su forma,
01:12la lente recoge y concentra en un solo punto todos los rayos que van paralelos a su eje óptico principal.
01:19Ahí mismo nos explican cómo se forma la imagen de un objeto en la lente.
01:23Los rayos de luz incidentes se reflejan en el objeto,
01:27llegan a la lente, se refractan y se cruzan ya detrás de la lente formando la imagen.
01:32Si el objeto está ubicado a una distancia de la lente mayor que la distancia focal,
01:36pero menor que el doble de la distancia focal, la imagen resulta aumentada.
01:40Y de esta imagen no queda nada claro por qué un objeto de cualquier tamaño no puede ser ampliado por
01:46la lente,
01:47y mucho menos por qué el límite del poder de resolución de la lente debe depender de la longitud de
01:53onda de la luz incidente.
01:55Sin embargo, en realidad, la luz tiene una naturaleza ondulatoria, siendo ondas electromagnéticas,
02:01y su interacción con la materia se debe a la influencia de estas ondas sobre los electrones cargados negativamente
02:06y los núcleos atómicos cargados positivamente, de los cuales está compuesta esta materia.
02:11En el campo de una onda electromagnética, estos objetos cargados entran en movimiento oscilatorio
02:16y los propios objetos comienzan a emitir ondas electromagnéticas.
02:20La imagen que observamos es el resultado de la suma, o como dicen los físicos,
02:24la interferencia de las ondas incidentes y las ondas emitidas por el propio objeto.
02:29Bueno, el problema es que para los objetos cuyos tamaños lineales son menores que la longitud de onda de la
02:34luz,
02:34o para los pequeños detalles de estos objetos, esas ondas secundarias se atenúan muy rápidamente
02:39y se propagan solo a una distancia del orden de la longitud de onda desde el propio objeto.
02:44Estas ondas que se atenúan rápidamente también se llaman ondas evanescentes.
02:49Simplemente no se propagan lo suficientemente lejos como para que se pueda hacer algo con ellas,
02:53por ejemplo, capturarlas con una lente y ampliar la imagen.
02:56Se puede decir que esas ondas, por así decirlo, se concentran cerca de los bordes del objeto
03:01y permanecen ahí, en lugar de alejarse como estamos acostumbrados a ver.
03:05De esta manera, al trabajar con microscopios convencionales,
03:08estamos fundamentalmente limitados por el límite de la mitad de la longitud de onda de la luz visible,
03:12es decir, longitudes de onda del orden de 200-250 nanómetros.
03:16Todo lo que sea menor, ya no lo podremos ver.
03:18Sin embargo, hay un pequeño truco que se utiliza para mirar un poco más allá del límite de difracción.
03:23El asunto es que, en medios con un índice de refracción alto, la longitud de onda disminuye un poco.
03:28Para ser más específico, la longitud de onda en un medio es igual a la longitud de onda en el
03:31vacío
03:32dividida entre el índice de refracción del medio.
03:34Entonces, si colocamos nuestra muestra en un medio con un índice de refracción alto,
03:38a estos medios también se les llama medios de inmersión,
03:40se pueden ver objetos más pequeños que la longitud de onda de la luz en el vacío.
03:44Por ejemplo, aceites de inmersión especiales que tienen un índice de refracción de aproximadamente 1.7
03:50permiten observar objetos de un tamaño de aproximadamente 120 a 130 nanómetros, pero no menos que eso.
03:56Esa es la resolución de los microscopios.
03:58Los microscopios permiten estudiar bacterias, células y organelos celulares grandes,
04:03pero si queremos estudiar un objeto más pequeño, digamos un virus o una molécula de proteína compleja,
04:07como la molécula de ADN, entonces el microscopio resulta inútil.
04:12Esto crea problemas no solo para los biólogos y bioquímicos,
04:14sino también para los ingenieros que trabajan, por ejemplo, en el campo de la microelectrónica,
04:18cuyos muchos componentes hoy en día tienen tamaños de decenas de nanómetros o incluso menos.
04:22Así que poder observar en detalle objetos cuyos tamaños son menores que la longitud de onda de la luz visible
04:28no es solo un capricho, sino una necesidad urgente.
04:30Existen métodos para superar estas limitaciones.
04:33Por ejemplo, se puede trabajar no con luz visible, sino con radiación electromagnética
04:38de longitudes de onda más cortas, como la radiación ultravioleta y los rayos X.
04:43Para objetos aún más pequeños se pueden usar microscopios electrónicos,
04:46en los que en lugar de luz se utilizan haces de electrones que también poseen propiedades ondulatorias.
04:51Y la longitud de onda de estos electrones se puede hacer muy, muy pequeña,
04:55si aceleramos los electrones lo suficiente.
04:58Lamentablemente las posibilidades de todos estos métodos son limitadas.
05:01Por ejemplo, a menudo tienen un efecto destructivo sobre el objeto de estudio,
05:05es decir, claro que se puede observar, pero solo una vez.
05:08Y ya no se puede estudiar cómo cambia su comportamiento con el tiempo.
05:11Además, requieren condiciones especiales para funcionar,
05:14como colocar la muestra en condiciones de alto vacío y cosas así.
05:18Un método alternativo es la llamada microscopía óptica de campo cercano.
05:22La idea es colocar un diminuto sensor de campo electromagnético
05:25a una distancia del orden de la longitud de onda.
05:27En este caso, podrá captar las ondas evanescentes que se atenúan rápidamente
05:32y decirnos que ha detectado un objeto en ese punto.
05:36Al escanear la muestra de esta manera de forma secuencial,
05:38podremos recopiar información sobre dónde y qué hay allí.
05:40Es decir, básicamente, obtener su imagen.
05:43El problema es que colocar el detector tan cerca del objeto que se está investigando
05:47puede dañarlo o de alguna manera afectar el resultado de la observación.
05:51En general, la imagen resultante no es del todo fiable.
05:56En pocas palabras, la situación no es exactamente un callejón sin salida,
05:59pero sí es desagradable.
06:00Sin embargo, durante muchas décadas,
06:02la idea de crear un microscopio óptico capaz de observar objetos más pequeños
06:06que el límite de difracción se consideraba pura fantasía.
06:09Más precisamente, el principio fundamental para crear una superlente capaz
06:13de superar el límite de difracción y captar las elusivas ondas evanescentes
06:18parecía estar claro.
06:20Si observamos la expresión que describe la atenuación de las ondas evanescentes
06:23con la distancia, veremos en el exponente el índice de refracción del medio.
06:28De ahí se sigue una conclusión lógica.
06:30Si las ondas evanescentes se propagan en un medio que tiene un índice de refracción negativo,
06:34entonces el signo del exponente cambiará.
06:37Y en lugar de una atenuación exponencial de las ondas evanescentes,
06:41tendremos su amplificación.
06:43Y una lente hecha de material con un índice de refracción negativo
06:46realmente podrá ayudarnos a ver objetos más pequeños que la longitud de onda de la luz
06:50o partes de objetos más grandes que son invisibles en los telescopios ópticos convencionales.
06:54Y eso por supuesto.
06:56Sería muy genial, pero yo...
06:57Pero hay un detalle, las sustancias con un índice de refracción negativo
07:01en la naturaleza no existen.
07:03De hecho, el índice de refracción de un medio se calcula con esta fórmula.
07:06Donde B es la velocidad de la luz en el medio
07:08y C es la velocidad de la luz en el vacío,
07:10la velocidad de la luz en el medio se calcula con esta fórmula.
07:13Al final, obtenemos esta expresión para el índice de refracción,
07:16donde épsilon y mu son la permitividad dieléctrica relativa
07:20y la permeabilidad magnética relativa del medio.
07:23La raíz cuadrada de un número siempre es un número positivo.
07:26Y en este punto, la historia sobre el índice de refracción negativo
07:29aparentemente podría terminar.
07:31Sin embargo, en 1967, el físico soviético Víctor Veselaga
07:35publicó un trabajo en el que demostró teóricamente
07:37que es posible lograr un índice de refracción negativo.
07:40Y todo lo que se necesita para esto es usar un material
07:43cuya permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética
07:46sean negativas al mismo tiempo.
07:48Veselaga razonó de la siguiente manera.
07:51La fórmula que presentamos anteriormente para el índice de refracción
07:53no es primaria.
07:55Directamente de las ecuaciones de Maxwell
07:56fundamentales para la electrodinámica clásica,
07:59se obtiene la siguiente expresión
08:01para el cuadrado de la velocidad de propagación
08:03de las ondas electromagnéticas en un medio.
08:06Y de ahí obtenemos la expresión para el coeficiente de refracción
08:09extrayendo la raíz cuadrada de ambos lados.
08:12Sin embargo, matemáticamente,
08:15la operación de extraer la raíz nos da dos resultados
08:17que solo difieren en el signo.
08:19Es decir, aritméticamente,
08:21el índice de refracción por definición
08:23fundamentalmente puede ser tanto positivo como negativo,
08:27sin embargo, en física siempre se considera positivo.
08:30O sea, de las dos raíces elegimos solo una
08:32y descartamos la otra porque, bueno, en primer lugar,
08:35porque por los experimentos sabemos que el índice de refracción
08:38siempre es positivo.
08:39El índice de refracción participa en la llamada ley de Snellius,
08:43la conocida ley de la refracción de la luz
08:44en el límite entre dos medios,
08:46que se estudia en la escuela,
08:47que describe con qué ángulo pasará el rayo de luz
08:49a través del material al incidir sobre esa frontera.
08:51¿Un índice de refracción negativo
08:53significaría que la luz se refractaría de esta manera?
08:56¿Así?
08:56¿Pero tal refracción en la naturaleza?
08:58No se observa.
08:59Si trazamos una línea perpendicular al plano de la interfaz
09:02entre los medios,
09:03después de la refracción,
09:04la luz siempre estará del otro lado de esa línea
09:06y nunca del mismo lado.
09:07Tal refracción se parecería un poco a la reflexión de la luz,
09:10pero no respecto de la superficie misma,
09:12sino respecto de la normal a ella.
09:14Y en la naturaleza, repito,
09:16no nos encontramos con algo así.
09:18El signo positivo del índice de refracción
09:21en los medios ordinarios
09:22se explica físicamente de la siguiente manera.
09:24En extrodinámica existe el concepto
09:26del llamado vector de pointing,
09:28que determina la densidad del flujo de energía
09:30de la radiación electromagnética
09:32desde la fuente hasta el observador.
09:34Aquí,
09:34E y H
09:35son los vectores de intensidad
09:36de los campos eléctrico y magnético
09:38en el frente de onda.
09:39Como estamos hablando
09:40de una onda que incide
09:41sobre la superficie de separación
09:42entre los medios
09:43y pasa al medio,
09:44entonces el valor del vector de pointing
09:46para esta situación
09:47debe ser positivo.
09:48Al mismo tiempo,
09:49para una onda electromagnética
09:51plana y armónica,
09:52existe la siguiente relación,
09:54que vincula las intensidades
09:55de los campos eléctrico y magnético.
09:57Sustituyamos su expresión
09:59para el vector de pointing
10:00obteniendo esta expresión.
10:02Y después de algunas transformaciones,
10:03llegamos a este resultado,
10:04donde S es un vector
10:06de longitud unitaria,
10:07que va de la fuente al observador,
10:09en nuestro caso,
10:09hacia el interior del medio.
10:11Lo mismo se puede reescribir
10:13de esta manera,
10:14es decir,
10:15usando Epsilon i en,
10:16y no mu i en,
10:17y ahora ya se puede ver claramente
10:19por qué en los problemas reales
10:20siempre elegimos el valor positivo
10:23del índice de refracción.
10:24En la gran mayoría de las situaciones,
10:26tratamos con Epsilon y mu positivos,
10:29y en ese caso,
10:30el vector de pointing será positivo,
10:32es decir,
10:33la onda en principio
10:34penetrará en el medio
10:35solo si el índice de refracción
10:38es positivo.
10:39Y de aquí también podemos entender
10:41en qué caso debemos elegir
10:42un índice de refracción negativo,
10:45específicamente,
10:45si Epsilon y mu son negativos,
10:48y ambos Epsilon y mu al mismo tiempo.
10:51Si uno de ellos es positivo,
10:53y el otro negativo,
10:54entonces,
10:54en la fórmula para el índice de refracción
10:56bajo la raíz,
10:57se obtendrá un número negativo,
10:59es decir,
11:00el propio índice de refracción.
11:01Será imaginario.
11:03Esto significa que la onda electromagnética
11:05no penetra en absoluto
11:06en el material.
11:07Así llegamos a una conclusión clave,
11:09un material con un índice
11:11de refracción negativo
11:12que necesitamos para crear superlentes.
11:15Debe tener permitividad dieléctrica
11:16y permeabilidad magnética negativas.
11:19Y aquí,
11:19para nosotros que confiamos
11:20en la física escolar,
11:21de nuevo se presenta
11:22una situación
11:23en la que debemos exclamar
11:25que esto es imposible.
11:26La permitividad dieléctrica
11:27y la permeabilidad magnética
11:29determinan la respuesta
11:30de un material
11:30a un campo electromagnético externo.
11:33Por ejemplo,
11:33un dieléctrico colocado
11:34en un campo eléctrico
11:35se polariza
11:35si el campo está dirigido,
11:37digamos,
11:38hacia abajo.
11:38Entonces,
11:39los electrones
11:39con carga negativa en los átomos
11:40se desplazan
11:41hacia arriba.
11:43Los átomos
11:43se convierten
11:44en dipolos eléctricos
11:45que generan
11:45un campo eléctrico.
11:46Y como los electrones
11:47tienen carga negativa,
11:49este campo estará dirigido
11:50en sentido opuesto
11:51al campo inicial.
11:52Y el campo eléctrico
11:54total en el material
11:55será un poco menor
11:56que el campo creado
11:57por la misma fuente,
11:58pero en el vacío.
12:00La permitividad dieléctrica,
12:02o más precisamente
12:02la permitividad dieléctrica
12:03relativa.
12:04La permitividad
12:05muestra cuánto menor será.
12:07En el caso más simple,
12:08el campo dentro del material,
12:10es decir,
12:11la suma del campo externo
12:12y el campo interno inducido,
12:14se reduce
12:15con respecto al vacío
12:16por un factor
12:17de éxilón.
12:18Y de aquí,
12:18ya queda claro
12:19por qué la permitividad
12:20dieléctrica
12:21no puede ser negativa.
12:23Eso significaría
12:24que el campo total
12:25tendría una magnitud
12:26mayor que el externo,
12:27lo que llevaría
12:28a que el campo interno
12:28cambiara de signo,
12:30es decir,
12:30estaría dirigido
12:31no hacia abajo,
12:32sino hacia arriba.
12:33Y en ese campo,
12:35los electrones
12:36empezarían a desplazarse
12:37no hacia arriba,
12:38sino hacia abajo,
12:39en una dirección opuesta
12:40a la dirección
12:41del campo externo.
12:43Es decir,
12:43surgiría una situación
12:45paradójica,
12:45empujamos los electrones
12:47en una dirección,
12:48pero sin ninguna razón
12:48aparente para nosotros,
12:50empiezan a moverse
12:50en la otra.
12:52Así solo podrían
12:53comportarse partículas
12:54con masa negativa,
12:55pero en la naturaleza,
12:56hasta donde sabemos,
12:57no existen tales partículas.
12:59Y sin embargo,
13:00conocemos situaciones
13:01en las que los electrones
13:02y en general,
13:04los objetos mecánicos,
13:05responden a una fuerza
13:06externa de esa manera,
13:07desplazándose
13:08en la dirección opuesta.
13:09Pero esto solo ocurre
13:11cuando la fuerza externa
13:12es variable
13:13y estos objetos
13:14en sí mismos
13:15son sistemas oscilatorios,
13:16osciladores.
13:19Consideremos el problema
13:19más simple
13:20con un peso
13:20en un resorte.
13:21Jalamos el peso
13:22hacia abajo,
13:22el resorte se estira,
13:24surge una fuerza
13:24de restitución
13:25que intenta devolver
13:26el peso
13:26a su posición inicial,
13:27es decir,
13:28hacia arriba.
13:28Si soltamos el peso,
13:30subirá,
13:31pero por inercia
13:31pasará a la posición
13:32de equilibrio,
13:33el resorte empezará
13:34a comprimirse
13:35y surgirá una fuerza
13:36de restitución
13:37que intentará
13:37empujar el peso
13:38hacia abajo.
13:39Se producen
13:40oscilaciones mecánicas,
13:42el llamado péndulo
13:42de resorte
13:43cuya frecuencia
13:44de oscilación
13:44se determina
13:45por esta fórmula.
13:46Ahora imaginemos
13:47que no solo
13:48lo jalamos
13:49y lo soltamos,
13:50sino que actuamos
13:51sobre él
13:51con una fuerza
13:52que cambia
13:52periódicamente
13:53de magnitud
13:54y dirección
13:54y que tiene
13:55su propia frecuencia.
13:56Obtendremos una situación
13:58que se llama
13:58oscilaciones forzadas.
13:59Su frecuencia
14:00será igual
14:01a la frecuencia
14:01de la fuerza externa
14:02y la amplitud
14:03estará determinada
14:04por esta expresión
14:05que depende
14:05de la diferencia
14:06entre la frecuencia
14:07propia
14:07de oscilación
14:08del sistema
14:09y la frecuencia
14:09de la fuerza externa.
14:10En el curso escolar
14:11de física
14:12normalmente se analiza
14:13el módulo
14:13de la amplitud
14:14poniendo atención
14:15en que cuando
14:16la frecuencia
14:16de la fuerza externa
14:17es igual
14:17a la frecuencia
14:18propia
14:18de las oscilaciones
14:19este valor
14:20tiende al infinito
14:21y surge el fenómeno
14:22de la resonancia.
14:23Pero ahora
14:23nos va a interesar
14:24más el signo
14:25que el módulo
14:26es fácil ver
14:27que cuando
14:28la frecuencia
14:29de la fuerza externa
14:30es mayor
14:30que la frecuencia
14:31propia de resonancia
14:32será negativo.
14:34Y eso es precisamente
14:35de lo que hablamos antes.
14:36En cada momento
14:37el desplazamiento
14:38del peso
14:38con respecto
14:39a la posición
14:40de equilibrio
14:40será opuesto
14:41a la dirección
14:42de la fuerza
14:43aplicada.
14:44Por ejemplo
14:44la fuerza empuja
14:45el peso hacia arriba
14:46pero en lugar
14:46de eso
14:47se mueve
14:47hacia abajo.
14:48Esto por supuesto
14:49no significa
14:50que la masa
14:50del peso
14:51se haya vuelto
14:51negativa
14:52de repente
14:52las leyes
14:53de la inercia
14:53actúan sobre él
14:54igual que sobre
14:55cualquier otro cuerpo.
14:56La oposición
14:57entre la dirección
14:58de la fuerza
14:58y el desplazamiento
14:59no se debe
15:00a las propiedades
15:00del peso
15:01sino a las propiedades
15:02de todo el sistema
15:03y a la relación
15:03entre los parámetros
15:04del sistema oscilatorio
15:05y la fuerza externa.
15:07Pero con los electrones
15:08en los dieléctricos
15:09tenemos la misma situación.
15:11El electrón
15:11con carga negativa
15:12está ligado al átomo
15:13y al intentar
15:14alejarlo de ese átomo
15:15incluso usando
15:17un campo externo
15:18aparece una fuerza
15:19de restitución.
15:20Es decir
15:20el electrón
15:21en el átomo
15:21también es un sistema
15:22oscilatorio
15:22con su propia
15:23frecuencia de oscilación
15:24y eso significa
15:24que bajo la acción
15:25de una fuerza externa
15:26cuya frecuencia
15:27supera esta frecuencia
15:29propia
15:29él también
15:30debe empezar
15:31a oscilar
15:31en la dirección
15:32opuesta
15:33a la dirección
15:33del campo externo.
15:34Es decir
15:35comportarse exactamente
15:36como deben comportarse
15:37los electrones
15:37en un material
15:38con un índice
15:39de refracción negativo.
15:40Pero una onda
15:41electromagnética
15:42por ejemplo
15:43una onda de luz visible
15:44justamente crea
15:45un campo electromagnético
15:46variable
15:47incluyendo un campo
15:48eléctrico
15:49es decir
15:49genera una fuerza
15:50periódica de excitación
15:51que actúa
15:52sobre los electrones
15:53y llegamos a la conclusión
15:55de que un dieléctrico
15:55irradiado por una onda
15:57electromagnética
15:58de frecuencia
15:58suficientemente alta
16:00que exceda
16:00sus frecuencias
16:01de resonancia
16:02debe responder
16:03al campo eléctrico
16:04de esa onda
16:04como si tuviera
16:05una permitividad
16:06dieléctrica negativa
16:07en particular
16:08si su frecuencia
16:09de resonancia
16:10estuviera
16:11alrededor de 500
16:12por 10 a la 14 hertz
16:14lo que corresponde
16:15a la luz verde
16:16este material
16:17tendría
16:18una permitividad
16:19dieléctrica
16:19positiva
16:20para la luz
16:21roja y naranja
16:22y negativa
16:23para la luz azul
16:24celeste y violeta.
16:25Más precisamente
16:26aquí vale la pena
16:27hacer una aclaración
16:27importante
16:28este efecto
16:29se observará
16:29en una ventana
16:30estrecha de frecuencias
16:31justo por encima
16:32de la frecuencia propia
16:33si la frecuencia
16:34de la radiación
16:34incidente
16:35supera mucho
16:36la frecuencia
16:36de las oscilaciones
16:37propias
16:37entonces
16:38la amplitud
16:39de estas oscilaciones
16:39disminuirá rápidamente
16:41a medida que la frecuencia
16:42siga aumentando
16:43en nuestro caso
16:44esto significará
16:45que la polarización
16:46máxima del material
16:46disminuirá
16:47también disminuirá
16:49la amplitud
16:49de las oscilaciones
16:50del campo eléctrico
16:51interno
16:51y la amplitud
16:52de la intensidad
16:53del campo total
16:53se acercará
16:54a la amplitud
16:55del campo externo
16:56el dieléctrico
16:57prácticamente dejará
16:58de influir
16:59en el campo externo
17:00es decir
17:01en el límite
17:01de frecuencias
17:02muy altas
17:02su permitividad
17:03eléctrica
17:04tendrá 1
17:05sin embargo
17:06en un rango estrecho
17:07de frecuencias
17:07justo después
17:08de la resonancia
17:09realmente podríamos
17:10observar
17:10una permitividad
17:11dieléctrica
17:12negativa
17:13lamentablemente
17:14en la naturaleza
17:15no existen
17:15tales dieléctricos
17:16para la mayoría
17:17de estos materiales
17:18las frecuencias
17:19propias de oscilación
17:20de los electrones
17:20en los átomos
17:21se encuentran
17:22en el rango
17:22de 10 elevado
17:23a la 15
17:23y 10 elevado
17:24a la 16
17:25hercios
17:25lo que corresponde
17:26a la radiación
17:27ultravioleta dura
17:27o rayos
17:28x suaves
17:29bueno y para esa radiación
17:30el modelo clásico
17:31ingenuo
17:31en el que el electrón
17:32se compara
17:33con una bolita
17:34en un resorte
17:34ya no funciona
17:35aquí todo debe
17:36calcularse
17:37según las leyes
17:38de la mecánica cuántica
17:39la permitividad
17:40dieléctrica
17:40negativa efectiva
17:41la permitividad
17:42en campos variables
17:43de frecuencias ópticas
17:44en la naturaleza
17:45se presenta
17:46por ejemplo
17:46en los metales
17:47o en el plasma
17:47donde la interacción
17:48de la luz
17:49y los electrones
17:49ocurre de una manera
17:50completamente diferente
17:51sin embargo
17:52incluso eso no es suficiente
17:53porque para un índice
17:55de refracción negativo
17:56necesitamos que tanto
17:57la permitividad
17:57eléctrica
17:58como la permeabilidad
17:59magnética
18:00del material
18:01sean negativas
18:01al mismo tiempo
18:02con la permeabilidad
18:03magnética
18:04ocurre una historia
18:05similar en general
18:06es el coeficiente
18:07de proporcionalidad
18:08entre el campo
18:08magnético externo
18:09y el campo magnético
18:10total
18:11teniendo en cuenta
18:12la contribución
18:12causada por la propia
18:13magnetización del material
18:14también siempre debe ser
18:16positiva por las mismas
18:17razones
18:18pero exactamente
18:19por las mismas razones
18:20puede volverse negativa
18:21en el caso
18:22de un campo
18:23electromagnético variable
18:24para entender
18:25cómo puede ser esto
18:26imaginemos
18:27un paramagneto
18:28metálico
18:28colocado en un campo
18:29magnético externo
18:30variable de una onda
18:31que incide
18:31perpendicularmente
18:32a su superficie
18:33sabemos lo que sucederá
18:35en ese caso
18:35en el material
18:36surgirán corrientes
18:37parásitas
18:38las llamadas corrientes
18:39de Foucault
18:39que fluirán
18:40de tal manera
18:41que su campo magnético
18:42compensará el cambio
18:43del campo externo
18:44es decir
18:45en el momento
18:45en que el campo
18:46magnético externo
18:47de la onda
18:47aumenta
18:48el campo interno
18:49causado por las corrientes
18:50de Foucault
18:50apuntará en sentido
18:51contrario
18:52al campo externo
18:53cuando la amplitud
18:54de las oscilaciones
18:54magnéticas
18:55alcanza su máximo
18:56y comienza a disminuir
18:57las corrientes
18:58estarán dirigidas
18:59de tal manera
18:59que el campo magnético
19:00interno
19:01refuerce al externo
19:02como si impidiera
19:02que disminuya
19:03este es el comportamiento
19:04magnético normal
19:05de una sustancia
19:06correspondiente
19:07a una permeabilidad
19:08magnética positiva
19:09pero ahora
19:10consideremos en lugar
19:11de un metal común
19:12un cierto circuito
19:13oscilante
19:13por ejemplo
19:14un circuito clásico
19:15compuesto por una bobina
19:16de inductancia
19:16y un condensador
19:17este es el llamado
19:18circuito LC
19:19que es capaz
19:20de mantener oscilaciones
19:21al igual que una pesa
19:22en un resorte
19:23o un electrón
19:24en un átomo
19:24pero ahora
19:25no hablaremos
19:26de las oscilaciones
19:27de la posición
19:28de algún cuerpo
19:28sino de las oscilaciones
19:30de la magnitud
19:31y dirección
19:32de la corriente eléctrica
19:33en ese tipo de circuito
19:34y si ahora
19:35irradiamos este circuito
19:36con una onda
19:37electromagnética
19:38esa onda
19:39actuará como una fuerza
19:40externa
19:40que excita
19:41las oscilaciones
19:42eléctricas
19:43del circuito
19:43y en el circuito
19:44se establecerán
19:45oscilaciones forzadas
19:46con la frecuencia
19:47del campo externo
19:48y con una amplitud
19:49y fase
19:50que dependen
19:50de la relación
19:51entre la frecuencia
19:52propia y la externa
19:53incluso
19:53si la frecuencia
19:54del campo externo
19:55es un poco mayor
19:56que la frecuencia propia
19:57la corriente
19:58en cada momento
19:59fluirá en la dirección
20:00opuesta
20:00a la que se esperaría
20:01que fluyeran
20:02las corrientes
20:03de Foucault
20:03y este comportamiento
20:05del sistema
20:05será precisamente
20:06el que corresponde
20:07al comportamiento
20:07de un medio
20:08con la correspondiente
20:09permeabilidad magnética
20:10cualquier conductor
20:11por supuesto
20:12tiene cierta capacitancia
20:14e inductancia
20:14sin embargo
20:15el problema
20:16es que las frecuencias
20:17eléctricas propias
20:18de los materiales
20:19también estarán
20:19muy lejos
20:20de las frecuencias
20:21de la luz visible
20:21pero si las frecuencias
20:23propias de las
20:23oscilaciones eléctricas
20:24suelen ser mucho mayores
20:26que las de la luz visible
20:27entonces las frecuencias
20:28propias de las oscilaciones
20:29magnéticas
20:30son mucho más bajas
20:31que esas
20:31por eso
20:32en el rango
20:32de la luz visible
20:33es imposible
20:34dotar a los materiales
20:35comunes
20:35de una permitividad
20:36dieléctrica
20:36y permeabilidad
20:37magnética
20:38negativas
20:38al mismo tiempo
20:39guay
20:39al parecer
20:40la idea
20:41de Víctor Besselago
20:42seguiría siendo
20:42solo una teoría
20:43interesante
20:44pero completamente
20:45abstracta
20:45por suerte
20:46a finales del siglo XX
20:48y principios del XXI
20:49surgió la idea
20:50de cómo superar
20:51estas limitaciones
20:52utilizando los llamados
20:53metamateriales ópticos
20:55estos materiales
20:56son medios
20:56artificialmente diseñados
20:58compuestos por elementos
20:59estructurales
21:00cuya longitud
21:00es mucho menor
21:01que la longitud de onda
21:02de la luz incidente
21:03como ya mencionamos antes
21:05la radiación electromagnética
21:06básicamente ignora
21:07en términos ópticos
21:09los objetos
21:09cuyo tamaño
21:10es menor que la longitud
21:11de onda
21:11por eso
21:12la luz incidente
21:13percibe ese medio
21:14como si fuera continuo
21:15sin embargo
21:16así como los procesos
21:17electromagnéticos
21:18en los átomos
21:19que son invisibles
21:19desde el punto de vista
21:20óptico
21:21determinan el paso
21:22de la onda de luz
21:23a través de la materia
21:24los procesos
21:25electromagnéticos
21:25en los elementos
21:26estructurales
21:27de los metamateriales
21:28determinan las propiedades
21:29ópticas
21:30de estos mismos
21:30metamateriales
21:31y al seleccionar
21:32los parámetros
21:33de estos elementos
21:33de la manera adecuada
21:34podemos notar
21:35a los metamateriales
21:36de propiedades ópticas
21:37que son inalcanzables
21:38para las sustancias comunes
21:39que están compuestas
21:40simplemente de átomos
21:41o moléculas
21:43existen muchos enfoques
21:44para crear metamateriales
21:45con un índice
21:46de refracción negativo
21:47sus elementos estructurales
21:49pueden ser estructuras
21:50hechas de alambres
21:51metálicos
21:52de grosor nanométrico
21:53esferas
21:53o cilindros
21:54de materiales
21:55semiconductores
21:55rejillas en capas
21:57de conductores
21:57y dieléctricos
21:58estructuras
21:59de películas dieléctricas
22:00a las que se les fijan
22:01elementos metálicos
22:02en forma de cruces
22:03o de estas cosas
22:04que parecen letras C
22:06una dentro de la otra
22:07me detendré
22:09precisamente
22:09en la última opción
22:10conocida como
22:11resonadores
22:11en forma de S
22:12concéntricas
22:13o resonadores
22:13de anillos partidos
22:16cada uno de estos anillos
22:17en esencia
22:18es un circuito
22:19LC
22:19como el que vimos antes
22:21donde el propio conductor
22:22es el portador
22:23de la inductancia
22:24y la ranura
22:25entre sus extremos
22:26cumple la función
22:27de condensador
22:27el movimiento
22:29de los electrones
22:30en ese conductor
22:31bajo un campo externo
22:32generará
22:32esa señal magnética
22:34alternante
22:35además
22:36durante el proceso
22:37en los extremos
22:38de la ranura
22:38aparecerán alternancias
22:39de cargas eléctricas
22:40de signo opuesto
22:41es decir
22:42entre los contactos
22:43en el borde
22:43de la ranura
22:44se generará
22:44un campo eléctrico
22:45esa misma respuesta
22:46eléctrica
22:47que determinará
22:48la permitividad
22:48dieléctrica efectiva
22:49del material
22:50compuesto
22:50por estos elementos
22:52el segundo anillo
22:53se añade
22:54para aportar
22:54inductancia adicional
22:55y lo más importante
22:56capacidad
22:57en la ranura
22:57entre los anillos
22:59las ranuras
23:00se orientan
23:00en direcciones opuestas
23:01para que sus campos
23:02eléctricos
23:03también estén orientados
23:04en direcciones contrarias
23:05en cada momento
23:06gracias a esto
23:07se evita
23:07la reflexión
23:08de la onda
23:08electromagnética
23:09por el metamaterial
23:10como ocurriría
23:11con un conductor
23:12metálico convencional
23:13al cambiar
23:14la longitud
23:15de los anillos
23:15su grosor
23:16el material
23:16el ancho
23:17de la ranura
23:17y otros parámetros
23:18se pueden ajustar
23:19las frecuencias
23:20de las oscilaciones
23:21magnéticas
23:21y eléctricas
23:22eligiéndolas
23:23de manera que sean
23:23un poco menores
23:25que la frecuencia
23:25de la luz incidente
23:26logrando valores
23:27negativos efectivos
23:28de la permitividad
23:29dieléctrica
23:29y la permeabilidad
23:30magnética
23:31y en conjunto
23:32un índice de refracción
23:33negativo
23:33para todo el metamaterial
23:34en general
23:35por primera vez
23:37un metamaterial
23:37con un índice
23:38de refracción negativo
23:39fue creado en 2001
23:40por los físicos Shelby
23:41Smith y Schultz
23:42de la Universidad
23:43de California
23:43sin embargo
23:44su metamaterial
23:45no funcionaba
23:45con luz visible
23:46sino con microondas
23:47con frecuencias
23:48del orden de 10
23:49a la décima potencia
23:50hertz
23:50más tarde
23:51entre 2007
23:52y 2010
23:52se obtuvieron
23:53metamateriales
23:54con un índice
23:54de refracción negativo
23:55también en el rango óptico
23:56sin embargo
23:57normalmente para esto
23:58no se utilizan
23:59resonadores metálicos
24:00sino resonadores
24:01dieléctricos
24:02o estructuras de malla
24:03hechas de capas
24:04ultra finas
24:04alternadas de conductor
24:06y dieléctrico
24:07de esta manera
24:07hoy en día
24:08los materiales
24:09con un índice
24:09de refracción
24:10negativo
24:10ya son una realidad
24:11y no una fantasía
24:13aunque los trabajos
24:14para mejorarlos
24:15y buscar nuevas geometrías
24:16y combinaciones
24:17de materiales
24:17aún continúan
24:19sin embargo
24:20dado que ya existen
24:21estos materiales
24:22podemos pasar
24:22a la pregunta clave
24:23a saber
24:24cómo crear
24:25con estos metamateriales
24:26una superlente
24:27capaz de ir más allá
24:28del límite de difracción
24:30la teoría
24:31de estas superlentes
24:32fue presentada
24:33en el año 2000
24:33antes de la creación
24:34práctica
24:35de los propios metamateriales
24:36por el físico teórico
24:37británico
24:38John Brian Pendry
24:39basándose en los trabajos
24:40de Becelago
24:41realizados 30 años antes
24:42Pendry llamó la atención
24:43sobre el hecho
24:44de que un material
24:44con un índice de refracción
24:46exactamente igual
24:47a menos uno
24:47por sí mismo
24:48tendría las propiedades
24:50de una lente
24:50enfocando las ondas
24:51electromagnéticas
24:52que provienen del objeto
24:53en efecto
24:54en efecto
24:55en la frontera
24:55con ese material
24:56los rayos salientes
24:57se refractarán
24:58en un ángulo negativo
25:00luego se encontrarán
25:01dentro del material
25:01y después se refractarán
25:03de nuevo
25:03pero ya al salir de él
25:05y exactamente
25:05a la misma distancia
25:06de la capa de metamaterial
25:07donde se encontraba
25:08el objeto
25:08aparecerá su imagen
25:10en otras palabras
25:11el principio aquí
25:12es el siguiente
25:13colocamos el objeto
25:14que queremos estudiar
25:15junto a una superlente
25:17plana
25:17hecha de metamaterial
25:18lo iluminamos
25:19con luz
25:19de la longitud de onda
25:20para la cual
25:21este material
25:21tiene un índice
25:22de refracción negativo
25:23captamos las ondas
25:24evanescentes
25:25que se amplifican
25:26dentro del material
25:27y luego crean
25:28una imagen del objeto
25:29en el lado opuesto
25:31teóricamente
25:32con una superlente
25:33se puede observar
25:34un objeto
25:34de cualquier tamaño
25:35incluso un solo átomo
25:36o hasta un núcleo atómico
25:38no hay limitaciones
25:39fundamentales
25:40en la práctica
25:41al trabajar
25:42con objetos muy pequeños
25:43si surgen
25:44ciertas dificultades
25:45por ejemplo
25:45la atenuación
25:46de la señal
25:46en el material
25:47de la lente
25:48empieza a jugar
25:49un papel importante
25:50por eso
25:50el límite real
25:51de la capacidad
25:52de resolución
25:52de las superlentes
25:53modernas
25:53es de 5 a 6
25:54y en los mejores casos
25:56de 10 a 15 veces
25:57menor que la longitud
25:58de onda
25:58pero eso
25:59estarán de acuerdo
26:00ya no está nada mal
26:01la desventaja
26:02del método
26:03es que la imagen
26:04será una copia exacta
26:06del objeto
26:06que se está estudiando
26:07la superlente
26:08no amplía la imagen
26:09lo que significa
26:10que las ondas luminosas
26:11creadas por los pequeños
26:12detalles de esa imagen
26:13también resultan
26:14ser evanescentes
26:16así que no se podrá
26:17observar la imagen
26:18en detalle
26:18en el rango óptico
26:19una vez más
26:20pero al menos
26:21ya se puede estudiar
26:21sin miedo
26:22incluso con los mismos
26:23métodos de microscopía
26:24de campo cercano
26:25de los que hablamos
26:26antes
26:26sin embargo
26:27este no es el único método
26:29hoy en día
26:29también se están
26:30perfeccionando
26:31otros métodos
26:31para convertir
26:32las imágenes
26:33microscópicas
26:34invisibles
26:34obtenidas con superlentes
26:35en imágenes visibles
26:37y ampliadas
26:37por ejemplo
26:38con la ayuda
26:39de otra tecnología
26:40llamada hiperlente
26:41que es capaz
26:43de captar
26:43las ondas
26:44evanescentes
26:45y transformarlas
26:46directamente
26:47en ondas
26:47propagantes
26:48esta
26:49también es una
26:50tecnología increíblemente
26:51interesante
26:51y para crear
26:52hiperlentes
26:52también se utilizan
26:53metamateriales
26:53pero la física
26:54aquí es completamente
26:55diferente
26:56y de eso
26:56hablaremos por separado
26:57en uno de nuestros
26:58próximos
26:58vídeos
26:59y en general
27:01la física
27:01de los metamateriales
27:02y en particular
27:03de los metamateriales
27:03ópticos
27:04encierra posibilidades
27:05sumamente intrigantes
27:07con su ayuda
27:08no solo se puede
27:09ver lo invisible
27:10como con las superlentes
27:11e hiperlentes
27:12sino también resolver
27:13el problema inverso
27:14hacer lo visible
27:15invisible
27:16creando tecnologías
27:17bastante realistas
27:18como las capas
27:18de invisibilidad
27:19de los cuentos
27:20y muchas otras cosas
27:21que a primera vista
27:22parecen más magia
27:22que otra cosa
27:23pero que sin embargo
27:24siguen siendo física
27:25común y corriente
27:26aunque bastante compleja
27:27y sofisticada
27:27así que el tema
27:28de los metamateriales
27:29incluidos los metamateriales
27:30ópticos
27:31lo vamos a tocar
27:31en nuestros vídeos
27:32más de una vez
27:33y si te interesa
27:34esta temática
27:34no olvides
27:36suscribirte al canal
27:37para no perderte
27:38algo interesante
27:39y aquellos
27:40a quienes les gusta
27:41lo que sucede
27:42en nuestro canal
27:42en general
27:43les pido que se conviertan
27:44en patrocinadores
27:45aquí en youtube
27:46o en las páginas
27:47de patreon y boosted
27:48es precisamente
27:49gracias al apoyo
27:50de mis patrocinadores
27:50que puedo dedicar
27:51suficiente tiempo
27:52a trabajar en los vídeos
27:53de este canal
27:53y alegrarlos a ustedes
27:54con contenido
27:55de la mejor calidad posible
27:56por eso
27:57estaré muy agradecido
27:58si tú
27:58mi estimado espectador
27:59decides unirte
28:00hoy al grupo
28:01de patrocinadores
28:02del canal
28:02el enlace a boosted
28:03y por supuesto
28:04el código QR correspondiente
28:05deberían aparecer
28:06ahora en tu pantalla
28:07además
28:07todos los enlaces
28:08necesarios
28:09estarán en la descripción
28:10del vídeo
28:10bueno
28:11eso es todo por hoy
28:12les deseo
28:13todo lo mejor
28:13queridos amigos
28:14y hasta pronto
28:15en nuestros próximos vídeos
28:16todos los enlaces
28:16los enlaces
28:16todos los enlaces
28:16y hasta pronto